JP6180759B2

JP6180759B2 - 流量計測装置

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Publication number: JP6180759B2
Application number: JP2013045299A
Authority: JP
Inventors: 牛嶋　一博; 一博牛嶋
Original assignee: Yazaki Energy System Corp
Current assignee: Yazaki Energy System Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN203657854U; JP2014066695A

Description

本発明は、流量計測装置に係り、特に、流体が流れる流路と、前記流路内を仕切る互いに積層された複数の整流板と、互いの間に前記複数の整流板を位置付けた状態で対向するように配置され、前記流路に流れる流体の流速を検出するための一対の超音波振動子と、を備えた流量計測装置に関するものである。

従来より、ガスメータの流路内に当該流路内を仕切る互いに積層された複数の整流板を設け、整流板により整流されたガスの流速を超音波センサにより計測するガスメータが提案されている（例えば特許文献１〜３）。特許文献１に記載されたガスメータは、整流板により流路内が５層に仕切られ、その中央の層のみに対向するように超音波センサが配置されている。即ち、超音波センサとしては、中央の層の高さよりも小さい直径のものが用いられている。

上記整流板を設けることにより、積層方向における流速分布は整流板を設けない場合に比べてフラットにすることはできるが、完全にはフラットにはならない。このため、特許文献１で用いられる超音波センサのように、中央の層しか計測できないような小さいものでは、その超音波センサの積層方向の取付位置のバラツキに起因して、製品毎に特性にバラツキが生じてしまう恐れがあった。

また、特許文献２、３は、整流板により２層又は４層に仕切られ、全ての層に対向するように超音波センサが配置することにより、流路全体を計測して、製品毎の特性ばらつきを抑えているが、下記のような問題があった。すなわち、特許文献２に記載されたガスメータは、図７に示すように、整流板１００〜１０２により偶数層に仕切られているため、超音波センサ２０１、２０２の中心と中央の整流板１０１とが対向してしまう。

超音波センサ２０１、２０２の出力特性は、中心が最大で、中心から離れるほど小さくなる。このため、超音波センサ２０１、２０２の中心と整流板１０１とが対向すると、出力が高い中心から放射される超音波が整流板１０１に当たってしまうため、超音波の伝搬が妨げられやすい、という問題があった。

また、整流板１０１よりも上の層と下の層とでは、流速特性が異なる。図７（Ｂ）に示す例では、整流板１０１よりも上の層は、整流板１０１よりも下の層よりも流速が大きい。このため、超音波センサ２０１、２０２の取付位置のバラツキにより、超音波センサ２０１、２０２の中心が中央の整流板１０１よりも上側に位置するか、下側に位置するかで、計測特性が大きく変わってしまう、という問題もあった。特許文献３も整流板により２層（偶数の層）に仕切られるため、同様の問題が生じる。

さらに、小型（１．６〜６号）ガスメータに用いられる小型の超音波センサを大流量まで計測できる大型ガスメータに用いて小型ガスメータと大型ガスメータとで超音波センサを共通化したい、という課題があった。

特開２００５−３０７９５号公報特開２００５−２８３５６５号公報特開２０１０−１１７２０１号公報

そこで、本発明は、超音波振動子の取付位置のバラツキによる計測特性への影響を小さくした流量計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、流体が流れる流路と、前記流路内を仕切る互いに積層された複数の整流板と、互いの間に前記複数の整流板を位置付けた状態で対向するように配置され、前記流路に流れる流体の流速を検出するための一対の超音波振動子と、を備えた流量計測装置において、前記複数の整流板は、前記流路内を奇数の層に仕切るように設けられ、前記超音波振動子は、その中心が前記整流板で仕切られた中央の層に対向すると共に、前記整流板で仕切られた複数層に対向する大きさに設けられる（ただし、前記超音波振動子が、全ての層に対向する大きさのものは除く。）ことを特徴とする流量計測装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記複数の整流板は、前記流路内を７つの層に仕切るように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置に存する。

請求項３記載の発明は、前記複数の整流板は、層間隔が２．０ｍｍ〜２．４ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量計測装置に存する。

請求項４記載の発明は、前記流路は、流路幅ａと層間隔ｃとのアスペクト比が１５〜２０であることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の流量計測装置に存する。

請求項５記載の発明は、前記一対の超音波振動子の対向方向と流れ方向との成す角度が４０度〜５０度に設けられていることを特徴とする請求項１〜４何れか１項に記載の流量計測装置に存する。

以上説明したように請求項１、２記載の発明によれば、複数の整流板が、流路内を奇数の層に仕切るように設けられ、超音波振動子が、その中心が整流板で仕切られた中央の層に対向すると共に、整流板で仕切られた全ての層に対向する大きさに設けられる。従って、超音波振動子を用いて流路全体を計測する際に、超音波振動子の中心が整流板と対向することがなく、超音波振動子の取付位置がばらついたとしてもその中心は中央の層に対向して配置されるため、超音波振動子の取付位置のバラツキによる計測特性への影響を小さくすることができる。

請求項３〜５記載の発明によれば、１．６〜６号ガスメータ用の小型の超音波振動子を用いて３２ｍ³／ｈまでの流量を計測することができる。

本発明の流量計測装置としてのガスメータの一実施形態を示す概略断面図である。図１に示す多層流路部の斜視図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、本発明のガスメータに用いられる整流板と超音波センサの斜視図及び断面図である。図１に示すガスメータについて、断面積を一定にしてアスペクト比を変動させたときの圧力損失を計測した結果を示すグラフである。図１に示すガスメータについて、断面積を一定にしてアスペクト比を変動させたときのゲインを計測した結果を示すグラフである。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、従来のガスメータに用いられる整流板と超音波センサの斜視図及び断面図である。

以下、本発明の流量計測装置としてのガスメータの一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように、ガスメータ１は、ガス流路２と、流路としての多層流路部３と、超音波振動子としての超音波センサ４１、４２と、を備えている。上記ガス流路２は、入口流路部２１と、出口流路部２２と、計測流路部２３と、から構成されていて、Ｕ字状に形成されている。

入口流路部２１は、鉛直方向Ｙ１に沿って設けられ、上側端部にガス（流体）が流入するガス流入口２１ａが設けられている。出口流路部２２は、鉛直方向Ｙ１に沿って設けられ、上側端部にガスが流出するガス流出口２２ａが設けられている。計測流路部２３は、入口流路部２１及び出口流路部２２の側壁間を連通するように水平に沿って設けられている。この計測流路部２３内には、多層流路部３が配置されている。

多層流路部３は、図２及び図３に示すように、四角筒状の流路である。この多層流路部３内には、内部を仕切る互いに積層された６枚の整流板５が設けられている。この６枚の整流板５は、ガス流れ方向Ｙ２と直交方向に積層されている。そして、この６枚の整流板５により、多層流路部３内は７層（奇数層）に仕切られる。整流板５に仕切られた各層の高さは、互いに同じである。

また、多層流路部３は、一対の測定窓３１、３２が設けられている。一対の測定窓３１、３２は、多層流路部３の互いに対向する一対の側壁３３、３４にそれぞれ設けられている。一対の測定窓３１、３２は、多層流路部３のガス流れ方向Ｙ２に対して斜めに交差する方向に対向する位置に設けられている。

上記超音波センサ４１、４２は、多層流路部３に流れるガス流速を検出するセンサである。超音波センサ４１、４２は、計測流路部２３に設けた一対の取付部２４、２５に取り付けられている。一対の取付部２４、２５は、ガス流れ方向Ｙ２を斜めに交差する方向に計測流路部２３の側壁から突出して設けられている。そして、取付部２４は多層流路部３に設けた測定窓３１に連通し、取付部２５は多層流路部３に設けた測定窓３２に連通している。

このような取付部２４、２５に超音波センサ４１、４２を取り付けると、一対の超音波センサ４１、４２は、多層流路部３のガス流れ方向Ｙ２を斜めに交差する方向に対向して配置されることとなる。また、一対の超音波センサ４１、４２は、多層流路部３の互いに対向する一対の側壁３３、３４の両者を挟んで配置される。これにより、一対の超音波センサ４１、４２は、測定窓３１、３２を通じて多層流路部３内で超音波の授受が可能となる。また、上記超音波センサ４１、４２は、その中心が整流板６で仕切られた中央の層に対向すると共に、整流板６で仕切られた複数層（本実施形態では約４．５層）に対向する大きさに設けられている。

次に、図４を参照して本発明のガスメータの効果について説明する。なお、図４は、図を簡単にするために整流板５を２枚設けて、多層流路部３内を３層に仕切ったときの整流板５及び超音波センサ４１、４２の斜視図である。上述した実施形態によれば、複数の整流板５が、多層流路部３内を奇数の層に仕切るように設けられ、超音波センサ４１、４２が、その中心が整流板５で仕切られた中央の層に対向すると共に、整流板５で仕切られた複数層に対向する大きさに設けられる。

従って、図４に示すように、超音波センサ４１、４２を用いて流路全体を計測する際に、超音波センサ４１、４２の中心が整流板５と対向することがない。超音波センサ４１、４２の出力特性は、中心が最大で放射状に出力されるため、直接伝わらない超音波は反射しながら対向する超音波センサ４１、４２に伝わる。整流板５により奇数層に仕切ることによって、超音波センサ４１、４２の信号強度を確保することができる。また、超音波センサ４１、４２の取付位置がばらついたとしてもその中心は中央の層に対向して配置されるため、超音波センサ４１、４２の取付位置のバラツキによる計測特性への影響を小さくすることができる。

ところで、背景技術でも説明したように、小型（１．６〜６号）のガスメータに用いられる直径１０ｍｍの小型の超音波センサ４１、４２を大型ガスメータに用いて小型ガスメータと大型ガスメータとで超音波センサ４１、４２を共通化したい。流路断面積の小さい小型ガスメータで大流量まで計測しようとすると、計量法に定められる圧力損失を満足できない。このため、大流量計測用の大型ガスメータは、小型ガスメータよりも流路断面積を大きくする必要がある。

そこで、小型の超音波センサ４１、４２で大流量（３２ｍ³／ｈ）まで計測できるようにすべく、本実施形態では、多層流路部３の流路幅ａ＝４０ｍｍ、流路高さｂ＝１５．４ｍｍ、層間隔ｃ＝２．２ｍｍ、層数＝７層とした。ここで、層間隔ｃは、２．２ｍｍに限定するものではなく、２．０ｍｍ〜２．４ｍｍが望ましい。また、流路幅ａ：層間隔ｃのアスペクト比を１８とした。ここで、アスペクト比は１８に限定するものではなく、１５〜２０が望ましい。

次に、本発明者は、上述した効果を確認すべく、図１に示すガスメータ１について、要求される流量計測範囲より多層流路３の断面積を算出して、算出した断面積にほぼ維持するように、アスペクト比を変動させたときの圧力損失、ゲイン（超音波信号の劣化）を計測した、結果を図５及び図６に示す。図５に示すように、アスペクト比を小さくするに従って（即ち、層間隔ｃを大きくするに従って）、圧力損失を小さくできる傾向にあり、アスペクト比１５〜２０では２５［Ｐａ］以下に抑えることができることが分かった。

また、図６に示すように、アスペクト比を小さくするに従って（即ち、層間隔ｃを大きくするに従って）、ゲインを小さく（信号劣化を小さく）でき、アスペクト比１５〜２０では４０以下に抑えることができることがわかった。これは、流路幅ａを大きくすると、超音波センサ４１、４２間の距離が大きくなってしまい、信号強度が低下してノイズの影響を受けやすくなってしまうからであると考えられる。ただし、超音波センサ４１、４２間の距離を稼ぐことで流量計測に関わる伝搬時間そのものは大きくなり、分解能は向上する。

また、本発明者は、要求される流量計測範囲より多層流路３の断面積を算出して、算出した断面積をほぼ維持するように、アスペクト比を変動させたときの計測流量のバラツキについて計測した。結果、アスペクト比を大きくするに従って（即ち、層間隔ｃを小さくするに従って）、計測流量のバラツキを抑えることができることが分かった。これは、多層流路部３の流路高さｂ（図２）を大きくすると、整流板５で仕切られた各層の高さが大きくなり、層内での流路分布が均一になりにくい。また、層毎の流速分布の差異が大きくなり、計測誤差が生じやすくなるためであると考えられる。

従って、圧力損失、ゲインを小さくするためには、アスペクト比が小さい方がよいが、アスペクト比が小さすぎると、計測流量のバラツキが大きくなる。上述したようにアスペクト比１５〜２０、層間隔ｃを２．０ｍｍ〜２．４ｍｍにすると、圧力損失、ゲイン、計測流量のバラツキをバランスよく小さく抑えることができ、小型超音波センサ４１、４２を用いて大流量まで計測できるようになった。

また、図３に示すように、一方の超音波センサ４１、４２の対向方向Ｙ３と流れ方向Ｙ２とのなす角度θ（以下取付角度θ）を小型ガスメータにおいては４０度に設けていたが、本実施形態においては４５度に設けて、超音波センサ４１、４２間の距離を縮小した。

超音波ガスメータ１においては、安定した流量計測を行うためには、一定以上の超音波の信号強度が必要となる。大型ガスメータはコスト低減のため、小型ガスメータと同じ計測ＩＣ、超音波センサ４１、４２を共通で使用する必要がある。

大型ガスメータは圧力損失を一定内に保ちつつ、大流量を計測するため、流路断面積を広げる必要があるが、上述したように多層流路部３の流路高さｂのみを高くすると、層内の流れが乱れ易く、均一化しづらい。また、超音波計測の原理上、３次元流れの場合、誤差を生じやすい。

よって、多層流路部３の流路幅ａを広げることになる。そうすると、上述したように超音波センサ４１、４２間隔が長くなるため、小型ガスメータと同等のゲイン（増幅度）では信号強度が弱くなってしまい、計測精度が下がってしまう。計測ＩＣのゲイン（増幅度）を上げればよいわけだが、ゲインエラーを検出している閾値に近づいてしまうため、ゲインエラーの検出が難しくなってしまう。そこで、取付角度θを従来よりも大きくして、超音波センサ４１、４２の間隔を短くして、信号強度を上げることを試みた。取付角度θは、９０度に近づければ、超音波センサ４１、４２間隔は短くなり、信号強度を上げることができるが、逆に超音波計測の上がり下りの伝搬時間差が小さくなってしまい、計測精度が悪化してしまう。実験の結果、取付角度θは４５度が最も良く、４０度〜５０度の範囲が望ましいことがわかった。取付角度θを４０度〜５０度の範囲に設けることにより、計測精度を悪化させることなく、ゲイン（増幅度）を適性値にすることができるようになった。

以上のように、構成することにより、１．６〜６号ガスメータ用の直径１０ｍｍの小型の超音波センサ４１、４２を用いて３２ｍ³／ｈ（１０号、１６号）までの流量を計測することができるようになった。

なお、上述した実施形態では、整流板５を６枚用いて、多層流路部３を７層に仕切っていたが、本発明はこれに限ったものではない。整流板５は、多層流路部３を奇数の層に仕切っていればよく、例えば５層など他の奇数の層に仕切るように設けてもよい。

また、上述した実施形態では、多層流路部３を流路幅ａ＝４０ｍｍ、流路高さｂ＝１５．４ｍｍに設け、取付角度θ＝４５度に設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。小型ガスメータに用いられる小型の超音波センサ４１、４２を大型ガスメータに用いる必要がなければ、多層流路部３のサイズとしては、上記実施形態に限定されるものでもないし、取付角度θも４５度に限定されるものではない。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ガスメータ（流量計測装置）
３多層流路部(流路)
５整流板
４１超音波センサ
４２超音波センサ

Claims

流体が流れる流路と、前記流路内を仕切る互いに積層された複数の整流板と、互いの間に前記複数の整流板を位置付けた状態で対向するように配置され、前記流路に流れる流体の流速を検出するための一対の超音波振動子と、を備えた流量計測装置において、
前記複数の整流板は、前記流路内を奇数の層に仕切るように設けられ、
前記超音波振動子は、その中心が前記整流板で仕切られた中央の層に対向すると共に、前記整流板で仕切られた複数層に対向する大きさに設けられる（ただし、前記超音波振動子が、全ての層に対向する大きさのものは除く。）
ことを特徴とする流量計測装置。
前記複数の整流板は、前記流路内を７つの層に仕切るように設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
前記複数の整流板は、層間隔が２．０ｍｍ〜２．４ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量計測装置。
前記流路は、流路幅ａと層間隔ｃとのアスペクト比が１５〜２０であることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の流量計測装置。
前記一対の超音波振動子の対向方向と流れ方向との成す角度が４０度〜５０度に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜４何れか１項に記載の流量計測装置。